GFS 分布式文件系统从入门到实践

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了GFS 分布式文件系统从入门到实践相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

GFS 分布式文件系统

一、GlusterFS 概述

1.1 GlusterFS简介

  • GlusterFS是一个开源的分布式文件系统。

  • 由存储服务器、客户端以及NFS/Samba存储网关(可选，根据需要选择使用)组成。

  • 没有元数据服务器组件，这有助于提升整个系统的性能、可靠性和稳定性。

  • 传统的分布式文件系统大多通过元服务器来存储元数据，元数据包含存储节点上的目录信息、目录结构等。这样的设计在浏览目录时效率高，但是也存在一些缺陷，例如单点故障。一旦元数据服务器出现故障，即使节点具备再高的冗余性，整个存储系统也将崩溃。而GlusterFS分布式文件系统是基于无元服务器的设计，数据横向扩展能力强，具备较高的可靠性及存储效率。

  • GlusterFs同时也是Scale-Out(横向扩展)存储解决方案Gluster的核心，在存储数据方面具有强大的横向扩展能力，通过扩展能够支持数PB存储容量和处理数千客户端。

  • GlusterFS支持借助TCP/IP或InfiniBandRDMA网络 (一种支持多并发链接的技术，具有高带宽、低时延、高扩展性的特点)将物理分散分布的存储资源汇聚在一起，统一提供存储服务，并使用统一全局命名空间来管理数据。

1.2 GlusterFS的特点

（一）扩展性和高性能

GlusterFs利用双重特性来提供高容量存储解决方案。

  1. Scale-Out架构允许通过简单地增加存储节点的方式来提高存储容量和性能(磁盘、计算和I/0资源都可以独立增加)，支持10GbE和InfiniBand 等高速网络互联。
  2. Gluster弹性哈希(ElasticHash) 解决了GlusterFS对元数据服务器的依赖，改善了单点故障和性能瓶颈，真正实现了并行化数据访问。GlusterFS采用弹性哈希算法在存储池中可以智能地定位任意数据分片(将数据分片存储在不同节点上)，不需要查看索引或者向元数据服务器查询。

（二）高可用性

  1. GlusterFS可以对文件进行自动复制，如镜像或多次复制，从而确保数据总是可以访问，甚至是在硬件故障的情况下也能正常访问当数据出现不一致时，自我修复功能能够把数据恢复到正确的状态，数据的修复是以增量的方式在后台执行，几乎不会产生性能负载。
  2. GlusterFS可以支持所有的存储，因为它没有设计自己的私有数据文件格式，而是采用操作系统中主流标准的磁盘文件系统( 如EXT3、XFS等)来存储文件，因此数据可以使用传统访问磁盘的方式被访问。

（三）全局统一 命名空间

  1. 分布式存储中，将所有节点的命名空间整合为统一命名空间，将整个系统的所有节点的存储容量组成一个大的虚拟存储池，供前端主机访问这些节点完成数据读写操作。

（四）弹性卷管理

  1. GlusterFS通过将数据储存在逻辑卷中，逻辑卷从逻辑存储池进行独立逻辑划分而得到。
  2. 逻辑存储池可以在线进行增加和移除，不会导致业务中断。逻辑卷可以根据需求在线增长和缩减，并可以在多个节点中实现负载均衡。
  3. 文件系统配置也可以实时在线进行更改并应用，从而可以适应工作负载条件变化或在线性能调优。

（五）基于标准协议

  1. Gluster存储服务支持NFS、CIFS、 HTTP、 FTP、 SMB及Gluster原生协议，完全与POSIX 标准( 可移植操作系统接口)兼容。
  2. 现有应用程序不需要做任何修改就可以对Gluster中的数据进行访问，也可以使用专用API进行访问。

二、GlusterFS 术语介绍

2.1 Brick（存储块）

指可信主机池中由主机提供的用于物理存储的专用分区，是GlusterFS中的基本存储单元，同时也是可信存储池中服务器上对外提存储目录。

存储目录的格式由服务器和目录的绝对路径构成，表示方法为SERVER:EXPORT。如：192.168.80.10:/data/mydir/

2.2 Volume（逻辑卷）

一个逻辑卷是一组Brick的集合。卷是数据存储的逻辑设备，类似于LVM 中的逻辑卷。大部分Gluster管理操作是在卷上进行的。

2.3 FUSE

是一个内核模块，允许用户创建自己的文件系统，无须修改内核代码。

2.4 VFS

内核空间对用户空间提供的访问磁盘的接口。

2.5 Glusterd（后台管理进程）

在存储群集中的每个节点上都要运行。

三、理解 GlusterFS 工作流程

  1. 客户端或应用程序通过GlusterFS的挂载点访问数据。
  2. linux系统内核通过VFS API收到请求并处理。
  3. VES将数据递交给FUSE 内核文件系统，并向系统注册一个实际的文件系统FUSE， 而FUSE 文件系统则是将数据通过/dev/fuse 设备文件递交给了GlusterFS client端。可以将FUSE 文件系统理解为一个代理。
  4. GlusterFS client 收到数据后，client 根据配置文件的配置对数据进行处理。
  5. 经过GlusterFS client处理后，通过网络将数据传递至远端的GlusterFS Server，并且将数据写入到服务器存储设备上。

四、理解弹性 HASH 算法

4.1 弹性HASH算法概述

弹性HASH算法是Davies-Meyer 算法的具体实现，通过HASH 算法可以得到一个32位的整数范围的hash 值，假设逻辑卷中有N个存储单位Brick， 则32位的整数范围将被划分为N个连续的子空间，每个空间对应一个Brick。当用户或应用程序访问某一个命名空间时，通过对该命名空间计算HASH值，根据该HASH 值所对应的32位整数空间定位数据所在的Brick。

4.2 弹性HASH算法的优点

  1. 保证数据平均分布在每一个Brick 中。
  2. 解决了对元数据服务器的依赖，进而解决了单点故障以及访问瓶颈。

五、掌握七种类型的 GlusterFS 卷

GlusterFs支持七种卷，即分布式卷、条带卷、复制卷、分布式条带卷、分布式复制卷、条带复制卷和分布式条带复制卷。

5.1 分布式卷

1）分布式卷的介绍

  • 文件通过HASH算法分布到所有Brick Server. 上，这种卷是GlusterFS 的默认卷;以文件为单位根据HASH算法散列到不同的Brick，其实只是扩大了磁盘空间，如果有一块磁盘损坏，数据也将丢失，属于文件级的RAIDO,不具有容错能力。
  • 在该模式下，并没有对文件进行分块处理，文件直接存储在某个Server节点上。
  • 由于直接使用本地文件系统进行文件存储，所以存取效率并没有提高，反而会因为网络通信的原因而有所降低。

示例：
File1 和File2存放在Server1， 而File3存放在Server2，文件都是随机存储，一个文件(如File1)要么在Server1上，要么在Server2. 上，不能分块同时存放在Server1和Server2上。

2）分布式卷具有如下特点:

  • 文件分布在不同的服务器，不具备冗余性。
  • 更容易和廉价地扩"展卷的大小。
  • 单点故障会造成数据丢失。
  • 依赖底层的数据保护。
#创建一个名为dis-volume的分布式卷，文件将根据HASH分布在server1 : /dir1、server2:/dir2 和server3:/dir3中.
gluster volume create dis-volume server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3

5.2 条带卷

1）条带卷的介绍

  • 类似RAID0，文件被分成数据块并以轮询的方式分布到多个BrickServer上，文件存储以数据块为单位，支持大文件存储，文件越大，读取效率越高，但是不具备冗余性。

#示例原理:
File 被分割为6段，1、3、5放在Server1， 2、4、6放在Server2。

2）条带卷特点

  • 数据被分割成更小块分布到块服务器群中的不同条带区。
  • 分布减少了负载且更小的文件加速了存取的速度。
  • 没有数据冗余。
#创建了一个名为stripe-volume的条带卷，文件将被分块轮询的存储在Server1 :/dir1和Server2:/dir2两个Brick中
gluster volume create stripe-volume stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

5.3 复制卷

1）复制卷的介绍

  • 将文件同步到多个Brick 上，使其具备多个文件副本，属于文件级RAID 1，具有容错能力。因为数据分散在多个Brick 中，所以读性能得到很大提升，但写性能下降。
  • 复制卷具备冗余性，即使一个节点损坏，也不影响数据的正常使用。但因为要保存副本，所以磁盘利用率较低。
#创建名为rep-volume的复制卷，文件将同时存储两个副本，分别在Server1:/dir1和Server2:/dir2两个Brick中
gluster volume create rep-volume replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2

5.4 分布式条带卷

1）分布式条带卷的介绍

  • BrickServer数量是条带数(数据块分布的Brick数量)的倍数，兼具分布式卷和条带卷的特点。
  • 主要用于大文件访问处理，创建一个分布式条带卷最少需要4台服务器。

#示例原理:
Filel和File2通过分布式卷的功能分别定位到Server1和Server2。
在Server1中，File1被分割成4段，其中 1、3在Server1中的exp1 目录中，2、4在Server1中的exp2 目录中。
在Server2中，File2 也被分割成4段，其中1、3在 Server2中的exp3目录中，2、4在Server2 中的exp4目录中。

#创建一个名为dis-stripe的分布式条带卷，配置分布式的条带卷时，卷中Brick所包含的存储服务器数必须是条带数的倍数(>=2倍)。
Brick的数量是4 ( Server1:/dir1、 Server2: /dir2、 Server3:/dir3 和Server4:/dir4)，条带数为2 (stripe 2 )

gluster volume create dis-stripe stripe 2 transport tcp server1:/dir1 server2:/dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

创建卷时，存储服务器的数量如果等于条带或复制数，那么创建的是条带卷或者复制卷;如果存储服务器的数量是条带或复制数的2倍甚至更多，那么将创建的是分布式条带卷或分布式复制卷。

5.5 分布式复制卷

1）分布式复制卷的介绍

  • Brick Server数量是镜像数(数据副本数量)的倍数，兼具分布式卷和复制卷的特点。主要用于需要冗余的情况下。

#示例原理:
File1和File2 通过分布式卷的功能分别定位到Server1 和Server2。
在存放File1 时，File1 根据复制卷的特性，将存在两个相同的副本，分别是Server1 中的exp1 目录和Server2 中的exp2目录。
在存放File2时，File2 根据复制卷的特性，也将存在两个相同的副本，分别是Server3 中的exp3 目录和Server4 中的exp4 目录。

#创建一个名为dis-rep的分布式条带卷，配置分布式的复制卷时，卷中Brick所包含的存储服务器数必须是复制数的倍数(>=2倍)。
Brick 的数量是4 (Server1:/dir1、 Server2:/dir2、 Server3:/dir3 和Server4:/dir4)，复制数为2 (replica 2)

gluster volume create dis-rep replica 2 transport tcp server1:/dir1 server2: /dir2 server3:/dir3 server4:/dir4

5.6 条带复制卷

1）条带复制卷的介绍

  • 类似RAID10，同时具有条带卷和复制卷的特点。

5.7 分布式条带复制卷

1）分布式条带复制卷的介绍

  • 三种基本卷的复合卷，通常用于类Map Reduce 应用。

六、掌握 GlusterFS 部署方法

1.环境准备工作：

服务器类型系统和IP地址需要安装的组件
node1服务器CentOS7.4(64 位) 192.168.80.10添加4块20G硬盘
node2服务器CentOS7.4(64 位) 192.168.80.20添加4块20G硬盘
node3服务器CentOS7.4(64 位) 192.168.80.30添加4块20G硬盘
node4服务器CentOS7.4(64 位) 192.168.80.40添加4块20G硬盘

2.关闭所有节点服务器的防火墙和SElinux

systemctl stop firewalld
systemctl disable firewalld
setenforce 0
systemctl status firewalld.service

3.由于节点服务器的操作都一样，这里我仅展示node1的操作步骤

① 编写脚本

[root@node1 ~] # vim /opt/fdisk.sh

#!/bin/bash
NEWDEV=`ls /dev/sd* | grep -o 'sd[b-z]' | uniq`
for VAR in $NEWDEV
do
   echo -e "n\\np\\n\\n\\n\\nw\\n" | fdisk /dev/$VAR &> /dev/null
   mkfs.xfs /dev/${VAR}"1" &> /dev/null
   mkdir -p /data/${VAR}"1" &> /dev/null
   echo "/dev/${VAR}"1" /data/${VAR}"1" xfs defaults 0 0" >> /etc/fstab
done
mount -a &> /dev/null


② 执行脚本并查看磁盘挂载情况

chmod +x /opt/fdisk.sh 
cd /opt/
./fdisk.sh 
mount -a
df -h
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
...				 ...   ...   ...    ...
/dev/sdb1        20G   33M   20G    1% /data/sdb1
/dev/sdc1        20G   33M   20G    1% /data/sdc1
/dev/sdd1        20G   33M   20G    1% /data/sdd1
/dev/sde1        20G   33M   20G    1% /data/sde1


③ 添加临时DNS域名解析

echo "192.168.80.10 node1" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.20 node2" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.30 node3" >> /etc/hosts
echo "192.168.80.40 node4" >> /etc/hosts
cat /etc/hosts

④ 放入gfsrepo.zip安装包解压，然后创建glfs.repo配置文件

unzip gfsrepo.zip 
cd /etc/yum.repos.d/
mv * repos.bak/
mv: 无法将目录"repos.bak" 移动至自身的子目录"repos.bak/repos.bak" 下
[root@node1 /etc/yum.repos.d] # ls
repos.bak

[root@node1 /etc/yum.repos.d] # vim glfs.repo			#创建glfs.repo配置文件内容如下
[glfs]
name=glfs
baseurl=file:///opt/gfsrepo
gpgcheck=0
enabled=1

yum clean all && yum makecache




⑤ 安装gfs相关程序，然后开启服务。

yum -y install glusterfs glusterfs-server glusterfs-fuse glusterfs-rdma
systemctl start glusterd.service 
systemctl enable glusterd.service
systemctl status glusterd.service

4.创建集群

[root@node1 yum.repos.d]# gluster peer probe node1			#添加node1
peer probe: success. Probe on localhost not needed
[root@node1 yum.repos.d]# gluster peer probe node2			#添加node2
peer probe: success. 
[root@node1 yum.repos.d]# gluster peer probe node3			#添加node3
peer probe: success. 
[root@node1 yum.repos.d]# gluster peer probe node4			#添加node4
peer probe: success. 
[root@node1 yum.repos.d]# gluster peer status 				#查看状态
Number of Peers: 3

Hostname: node2
Uuid: ac9137b9-8ca5-43a1-8e4c-5af058fedc4e
State: Peer in Cluster (Connected)

Hostname: node3
Uuid: 4816542a-2425-4ccb-83e5-ee08e0fd0188
State: Peer in Cluster (Connected)

Hostname: node4
Uuid: 87dfb325-b90a-4a8c-9204-8013754ba49b
State: Peer in Cluster (Connected)

七、创建对应的卷

要求如下：

卷名称 				卷类型				Brick
dis-volume			分布式卷			node1(/data/sdb1)、node2(/data/sdb1)
stripe-volume		条带卷			node1(/data/sdc1)、node2(/data/sdc1)
rep-volume			复制卷			node3(/data/sdb1)、node4(/data/sdb1)
dis-stripe			分布式条带卷		node1(/data/sdd1)、node2(/data/sdd1)、node3(/data/sdd1)、node4(/data/sdd1)
dis-rep				分布式复制卷		node1(/data/sde1)、node2(/data/sde1)、node3(/data/sde1)、node4(/data/sde1)

7.1 创建分布式卷

创建分布式卷，没有指定类型，默认创建的是分布式卷

[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume create dis-volume node1:/data/sdb1 node2:/data/sdb1 force
volume create: dis-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume list
dis-volume
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume start dis-volume
volume start: dis-volume: success
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume info dis-volume
 
Volume Name: dis-volume
Type: Distribute
Volume ID: 057d9ba4-800d-477b-904b-e43f136e4297
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdb1
Brick2: node2:/data/sdb1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on

7.2 创建条带卷

指定类型为 stripe，数值为 2，且后面跟了 2 个 Brick Server，所以创建的是条带卷

[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume create stripe-volume stripe 2 node1:/data/sdc1 node2:/data/sdc1 force
volume create: stripe-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume start stripe-volume
volume start: stripe-volume: success
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume info stripe-volume
 
Volume Name: stripe-volume
Type: Stripe
Volume ID: ab23d1af-941e-4310-842b-2b4c4c89e50d
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdc1
Brick2: node2:/data/sdc1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on

7.3 创建复制卷

指定类型为 replica，数值为 2，且后面跟了 2 个 Brick Server，所以创建的是复制卷

[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume create rep-volume replica 2 node3:/data/sdb1 node4:/data/sdb1 force
volume create: rep-volume: success: please start the volume to access data
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume start rep-volume
volume start: rep-volume: success
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume info rep-volume
 
Volume Name: rep-volume
Type: Replicate
Volume ID: d511d0f1-e61f-4b43-8d59-354071846e9f
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 1 x 2 = 2
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node3:/data/sdb1
Brick2: node4:/data/sdb1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on

7.4 创建分布式条带卷

指定类型为 stripe，数值为 2，而且后面跟了 4 个 Brick Server，是 2 的两倍，所以创建的是分布式条带卷

[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume create dis-stripe stripe 2 node1:/data/sdd1 node2:/data/sdd1 node3:/data/sdd1 node4:/data/sdd1 force
volume create: dis-stripe: success: please start the volume to access data
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume start dis-stripe
volume start: dis-stripe: success
[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume info dis-stripe
 
Volume Name: dis-stripe
Type: Distributed-Stripe
Volume ID: 9ac553dd-ae1a-447b-8fab-e502003adb17
Status: Started
Snapshot Count: 0
Number of Bricks: 2 x 2 = 4
Transport-type: tcp
Bricks:
Brick1: node1:/data/sdd1
Brick2: node2:/data/sdd1
Brick3: node3:/data/sdd1
Brick4: node4:/data/sdd1
Options Reconfigured:
transport.address-family: inet
nfs.disable: on

7.5 创建分布式复制卷

指定类型为 replica，数值为 2，而且后面跟了 4 个 Brick Server，是 2 的两倍，所以创建的是分布式复制卷

[root@node1 yum.repos.d]# gluster volume create dis-rep replica 
以上是关于GFS 分布式文件系统从入门到实践的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
 

 从设计到实现：GFS和HDFS在复制上的设计及异同比较 | 分布式文件系统读书笔记


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